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新型納米溫度計 體積更小、功能更強
發布時間:2013-07-02 11:50:40 點擊瀏覽:

一個由美國密歇根大學等單位研究人員組成的國際小組開發出一種納米級的“溫度計”,能從原子尺度測量熱散逸,并首次建立了一種框架,來解釋納米級系統的熱散逸現象。這一成果為開發體積更小、功能更強的電子設備掃除了一項重要技術障礙。相關論文發表在《自然》雜志上。

電流通過導電材料時會產生熱,理解電子系統中熱是從哪里產生的,有助于工程師設計性能可靠而高效的計算機、手機和醫療設備等。在較大線路中,人們很容易理解熱是怎樣產生的,但對納米尺度的終端,經典物理學卻無法描述熱和電之間的關系。這些設備可能只有幾個納米大小,或由幾個原子構成。

原子與單分子接點代表了電路微型化的最終極限,也是測試量子傳輸理論的理想平臺。要描述新功能納米設備的電荷與能量傳輸,離不開量子傳輸理論。在今后的20年,計算機科學與工程人員預期可能會在“原子”尺度開展工作。但由于實驗條件限制,人們對原子設備的熱散逸與傳播還了解甚少,也為開發新型納米設備帶來了很大障礙。

該研究領導者、密歇根大學機械工程和材料科學與工程副教授普拉姆德·雷迪說:“目前晶體管已經達到極小量度,在20或30納米級別。如果該行業繼續按照摩爾定律的速度發展下去,線路中晶體管體積縮小的速度是其密度的兩倍,如此離原子級別已經不遠。然后,最重要的事情就是要理解熱量散播和設備電子結構之間的關系,如果缺乏這方面的知識,就無法真正掌控原子級設備,我們的研究首次揭示了這一領域。”

雷迪實驗室博士生李宇哲等人開發出一種技術,特制了一個穩定的原子設備和一種納米大小的溫度計,將二者結合做成一種圓錐形工具。在分子樣本線路中,圓錐形工具和一片黃金薄片之間能捕獲一個分子或原子,以研究其熱散逸。他們通過實驗顯示了一個原子級系統的變熱過程,以及這一過程與宏觀尺度變熱過程的不同,并且設計了一個框架來解釋這一過程。

雷迪解釋說,在可接觸的宏觀世界里,當電流通過導線時,整個導線都會發熱,與其相連的所有電極也是如此。相比之下,當“導線”是納米大小的分子,而且只和兩個電極接合時,溫度升高主要發生在二者之一中。“在原子級設備中,所有熱量集中在一個地方,很少會到其他地方。”

雷迪說:“我們的研究還進一步證實了物理學家列夫·朗道提出的熱散逸理論的有效性,并深入理解了熱散逸和原子尺度的熱電現象之間的關系,這是從熱到電之間的轉變。”

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